Курсовая работа по дисциплине "современные пробл
1. /TCKR2.txt
2. /Современные конструкции крепи подземных сооружений.docКурсовая работа по дисциплине "современные проблемы науки и техники" на тему: "Современные конструкции обделок (крепи) подземных сооружений новоавстрийский метод" проверили: а нциферов С. В
Министерство общего и профессионального образования рф
тульский государственный университет
кафедра строительства подземных сооружений
курсовАЯ РАБОТА по дисциплине
"современные проблемы науки и техники"
на тему:
"Современные конструкции обделок (крепи) подземных сооружений.
новоавстрийский метод"
проверили: Анциферов С.В.
выполнила: студентка группы 540481а воронина и.ю.
Тула 1998
В настоящее время на горнодобывающих предприятиях широко применяется металлическая, бетонная, набрызгбетонная, комбинированная крепи, осваивается упрочнение трещеноватых пород связующими составами путем инъекцирования через шпуры и скважины.
В 1996 году на горнодобывающих предприятиях черной и цветной металлургии было закреплено и перекреплено современными видами крепи около 900 км подземных горных выработок, в том числе:
– железобетонными анкерами 81,50 км
– бетонной крепью 5,08 км
– арочной крепью 81,60 км
– набрызгбетоном 559,00 км
– набрызгбетоном с анкерами 17,30 км
– анкерной крепью 19,80 км
– торкрет бетоном 0,98 км
– металлическими тюбингами 0,15 км
– металлической крепью 4,90 км
– усиленной комбинированной крепью 17,70 км
– витыми полимерными анкерами 16,60 км
– сталеорганической крепью 0,70 км
– арочной податливой крепью 1,70 км
– деревянной крепью 81,50 км
1. НАБРЫЗГБЕТОННАЯ КРЕПЬ.
Как видно из выше приведенных данных, набрызгбетонная обделка наиболее распространена. Она также широко применяется в транспортном строительстве.
Набрызгбетонная крепь – это прогрессивная разновидность бетонной крепи. Ее отличительными особенностями являются:
– отсутствие опалубки при возведении;
– повышенная плотность укладки бетона и его прочность;
– хорошая связь с породой и повышение устойчивости пород за счет проникновения смеси в трещины;
– возможность полной механизации и автоматизации процессов возведения крепи;
– возможность варьирования толщины от сантиметров до десятков сантиметров;
– легкость ремонта и усиление крепи;
– малая материалоемкость.
Набрызгбетон (торкретбетон, шприцбетон) – модификация мелкозернистого быстросхватывающегося бетона, который транспортируется к рабочему месту по трубопроводу, при выходе из трубопровода разбрызгивается под давлением струи сжатого воздуха и наносится на породную поверхность выработки, одновременно уплотняясь. Для набрызгбетонной крепи применимы цементы: портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый и сулфатостойкий портландцемент с ускорителями начала схватывания и твердения, а также специальные быстротвердеющие и быстросхватывающиеся цементы для набрызгбетонной крепи. Крупность заполнителя не должна превышать 0,1–0,15 толщины крепи.
Метод торкретирования изобретен в 1907 году американским естествоиспытателем К.Э. Эйкли.
Набрызгбетонная обделка представляет собой тонкое покрытие толщиной 5–7 см. Специальным видом набрызгбетона является набрызгбетон армированный стальными волокнами (фибронабрызгбетон или дисперсноармированный набрызгбетон). Бетонная смесь содержит отрезки тонкой стальной проволоки длиной 3–5 см диаметром 0,4 мм. Доля проволок обычно составляет около 5 % по массе. Армирование бетона стальными фибрами существенно увеличивает его прочность.
1.1. Набрызгбетонная крепь в сочетании с анкерами.
В сильнонарушенных породах возведение обделки толщиной 15–20 см осуществляется по металлической сетке, которая устанавливается на анкерах после первичного покрытия из набрызгбетона выполняемым по породе. После установки сетки повторным нанесением общую толщину доводят до 15–20 см. В отдельных случаях устанавливают второй ряд сетки (по тем же анкерам). Обычно анкера – это металлические стержни длиной 2,0–2,5 м, устанавливаются на расстоянии 1,4–1,5 м. Наибольшее распространение получили анкера с клино–щелевыми и распорными замками. Другой тип закрепления анкеров с помощью твердеющего состава (цементо–бетон, полимерные материалы).
В настоящее время осуществляется переход на использование анкеров с закреплением химсоставом, что повышает их несущую способность с 300 до 1100 кН. Расширение области применение таких анкеров сдерживается отсутствием средств механизации для их установки. Увеличение несущей способности анкеров позволило увеличить их длину с 1,2 до 6–8 м. Армополимерные анкеры хорошо сохраняются в обводненных и агрессивных средах.
Так по данным 1996 года, в АО "Апатит" проходилось в год 18 км выработок, из них 50 % крепили набрызгбетоном и анкерами. Несущая способность анкеров с использованием ампул с химическими составами для их закрепления увеличилось в 3–4 раза.
На угольной шахте "Распадская" использовались анкеры типа ШК–1 диаметром 43 мм. За год проходилось около 40 км выработок сечение 20 м2, 60 % которых крепились анкерами.
Набрызгбетонная крепь может применяться в сочетании с металлическими рамами и называется арочно–набрызгбетонная крепь.
1.2. Армированная набрызгбетонная обделка.
За рубежом распространена так называемая крепь Бернольда, в которой используются арматурно–опалубочные щиты из листовой стали толщиной 2–3 мм с образованными штамповкой прорезями и местными изгибами, обеспечивающими жесткость щитов. Щиты могут устанавливаться между арками временной крепи, как затяжка с дальнейшим покрытием их набрызгбетоном. В результате чего образуется армированная набрызгбетонная обделка.
2. СБОРНАЯ Ж/Б КРЕПЬ.
2.1. Блочная ж/б крепь.
При строительстве коммунальных тоннелей применяются преимущественно трапециевидные ж/б блоки (рис. 2.1.1). При строительстве транспортных и гидротехнических тоннелей применяются прямоугольные блоки. В гидротехническом строительстве сборная крепь из гладких ж/б блоков применяется при строительстве без напорных тоннелей в слабопроницаемых породах.
В блочных обделках блоки не имеют связи растяжения. Они фиксируются друг относительно друга с помощью шпилек и пазов. Исключение составляет блочная сейсмостойкая обделка перегонного тоннеля метрополитена в Ташкенте в которой предусмотрена связь блоков в кольце и колец между собой с помощью выпускаемых в скошенных углах блоков арматурных петель с последующим омоноличиванием углов.
Рис. 2.1.1. Обделка коммунальных тоннелей
из ж/б блоков трапециевидной формы:
1 – тампонажное отверстие;
2 – чеканочная канавка.
2.2. Ж/б арочная тюбинговая крепь КТАГ.
Ж/б арочная тюбинговая крепь КТАГ конструкции ВНИИОМШСа (рис. 2.2.1а) представляет собой сплошную сборную конструкцию, состоящую из отдельных крупноразмерных гладкостенных тюбингов и полутюбингов, образующих в сборе незамкнутые арки полукруглового очертания, устанавливаемое в выработке в сплошную. Тюбинг КТАГ представляет собой цилиндрический сегмент с гладкой поверхностью на вогнутой, обращенной к выработке стороне, усиленной по периметру с внешней стороны ребрами. Для удобства монтажа крепи в тюбингах предусмотрены металлические петли. Число тюбингов в арке крепи 5–7. Ширина тюбинга 1000 мм, масса 500 кг. Тюбинги смежных арок устанавливаются с перевязкой горизонтальных швов.
Крепь из тюбингов КТАГ предназначена для крепления горизонтальных капитальных горных выработок, расположенных вне зоны влияния очистных работ при отсутствии пучения пород почвы.
Рис. 2.2.1.а) ж/б тюбинговая крепь КТАГ
б) ж/б тюбинговая крепь ГТК.
2.3. Ж/б гладкостенная тюбинговая крепь ГТК.
Крепь конструкции КузНИИшахтостроя (рис. 2.2.1б) собирается их ж/б тюбингов и применяется для крепления горизонтальных и наклонных капитальных выработок, проходимых в породах средней устойчивости (f=3–6). Тюбинг криволинейной формы имеет в поперечном сечении корытообразную форму изготовлен из бетона В25 и армируется сварным каркасом из стержней периодического профиля 18–20 мм. Ширина тюбинга 750 мм.
3. Рамная металлическая крепь.
Металлические рамные крепи – наиболее распространенный вид крепи горизонтальный и наклонных горных выработок.
3.1. Арочные податливые крепи из шахтного спецпрофиля, получившие широкое распространение на шахтах, состоят из отдельных арок, устанавливаемых в выработках на расстоянии 0,5–1,2 м одна от другой, межральных стяжек (распорок) и железобетонных, деревянных или металлических решетчатых затяжек, укладывающихся в пролетах между арками.
3.1.1. Металлическая податливая арочная трехзвенная КМП–А3.
Данная крепь реализована в конструкциях крепи типов АП, АП–3, МПК–А3 М, АП–3П, разработанных ДонУГИ, ИГД им. А.А. Скочинского, НИИОГР, ПечорНИИ проектом, а пятизвеньевая – в конструкциях типов АП–5, ИАК, разработанная ДонУГИ и КузНИУИ.
Арочные податливые крепи изготавливаются из стального (марки Ст5) проката специального желобчатого (шахматного) профиля типа СВП шести типоразмеров: СВП–14, СВП–17, СВП–19, СВП–22, СВП–27, СВП–33. Межрамные стяжки изготавливаются из уголка 60х60х6 мм.
3.1.2. Арочная металлическая крепь МПК–А3.
Арочная металлическая крепь МПК–А3 с безболтовыми (кулачковыми) податливыми узлами конструкции ИГД им. А.А. Скочинского также изготовляется из шахтного спецпрофиля СВП и отличатся от описанного выше арочной податливой крепи из шахтного спецпрофиля лишь конструкцией податливых узлов расположенных в местах соединения звеньев арки. Вместо хомутов с планками и гайками, соединяющими расположенные внахлестку концы звеньев арки, устанавливается кулачковый податливый узел.
3.1.3. Металлическая арочная четырехзвенная крепь МПК–А4.
Данная крепь с кулачковыми податливыми узлами отличается от крепи МПК–А3 тем, что верхний сегмент состоит из 2–х отрезков из профиля СВП, соединяемых между собой податливыми кулачковым узлом.
3.2.1. Кольцевая податливая крепь КМП–К4.
Кольцевую податливую крепь КМП–К4 изготовляют из шахтного спецпрофиля СВП. Каждое кольцо крепи состоит из нескольких сегментов, соединенных внахлестку при помощи хомутов, планок и гаек аналогично арочным податливым крепям из спецпрофиля СВП.
3.2.2. Кольцевая податливая крепь КПК–ПЛ.
Кольцевая податливая крепь с пологим лежнем КПК–ПЛ разработана в Тульском политехническом институте. Ее конструкция сходна с конструкцией крепи КМП–К4.
3.3.1. Металлическая трапециевидная крепь МПК–Т1.
Это крепь с кулачковыми узлами податливости конструкции ИГД им. А.А. Скочинского представляет собой отдельные рамы, устанавливаемые вразбержку и соединенные между собой вдоль выработки четырьмя межрамерными стяжками. Рама крепи изготавливается из шахтного спецпрофиля СВП.
3.3.2 Металлические инвентарные рамные крепи.
Металлические инвентарные рамные крепи типа МИК, разработаны в ИГД им. А.А. Скоченского, предназначены для многократного использования в подготовительных выработках с небольшим сроком службы и состоят из отдельных рам прямолинейного и криволинейного очертания, устанавливаются на выработках на определенном расстоянии одна от другой согласно паспорту крепления.
Разработаны и рекомендованы после испытаний для применения в шахтах пять модификаций инвентарной крепи:
1) МИК–4Э (податливый узел стойки);
2) МИК–4С (стойки из шахтного спецпрофиля СВП);
3) МИК–4Э (податливый узел стойки);
4) МИК–5 (бочкообразная замкнутая рама);
5) МИК–6 (изготавливается из СВП и имеет криволинейную конфигурацию).
3.3.3. Металлическая трапециевидная податливая крепь КВВ
Металлическая трапециевидная податливая крепь КВВ конструкции КНИУИ состоит из верхняка и двух составных стоек с клиновыми узлами податливости. Верхняк крепи изготавливается из шахтного спецпрофиля СВП–22 и СВП–27 в зависимости от горно–геологических условий и размера поперечного сечения выработки.
3.3.4. Металлическая трапециевидная податливая шарнирная крепь МТШП–2.
Крепь разработана ПечорНИУИ и испытано в шахтах Печорского угольного бассейна. Рама крепи МТШП–2 состоит из верхняка и составных стоек части которых соединены в нахлестку хомутами с планкой и гайкой.
Рис.3.1 Металлические арочные податливые крепи из спецпрофеля:
а–трехзвенные; б–пятизвенные; в–общий вид податливого соединения звеньев арки.
4.ОБДЕЛКИ ИЗ МОНОЛИТНО–ПРЕССОВАННОГО БЕТОНА
В транспортных, гидротехнических и коллекторных тоннелях круглого сечения применяются обделки из монолитно–прессованного бетона, возводится при щитовой проходке тоннелей. Прессование поданной за опалубку бетонной смеси производится домкратами щита с момент его передвижки. В процессе прессования под давлением 1–1,5 Мпа под торцом прессующего кольца происходит отжатие из бетонной смеси избыточной воды, а также воздуха и осуществляется полный контакт обделки с породами. Материал монолитно–прессованной обделки обладает повышенной прочностью при сжатии (до 30 %) и модулем общей деформации (до 20 %). Ведутся работы по радиальному способу прессования бетона в скользящей опалубке применяется дисперсная армирование монолитно–прессованных обделок.
Способ прессования разработан на основе данных полученных в результате обширных научных и производственных экспериментов, проведенных в Всесоюзном научно–исследовательском институте транспортного строительства под руководством Маренного Я.И.
Принципиальная сущность новых технологий возведения монолитно–прессованной обделки тоннелей заключается в бетонировании хвостовой части щита между его оболочкой и опалубкой участка обделки и с последующим прессованием пуансоном прессующего кольца уложенной бетонной массой. Процесс прессования происходит при перемещении щита с опиранием и передачей реактивных усилий щитовых домкратов на прессующее кольцо.
По сравнению с традиционным способом щитовой проходки со сборной ж/б обделкой способ прессования монолитных обделок позволяет сооружать тоннели без осадок поверхности земли и наземных строений, отказаться от применения арматуры в конструкциях обделок и от первичного и контрольного нагнетания. Обделка не имеет швов.
В конце XIX века (1896–1897 г.г.) в Париже на пересечении р. Уазы сооружен при помощи специального щита тоннельный коллектор диаметром 2630 мм и протяженностью 266 м. В хвостовой части щита концентрически располагались металлические оболочки. В пространство между оболочками в ручную укладывалось бетонная смесь, которая затем уплотнялась щитовыми домкратами. Готовая обделка представляла собой металлический "чехол" с внешней и внутренней оболочкой. Толщина бетонной прослойки между ними составляла 26 см.
В 1898 г. Аналогичным способом под р. Уазой Фонтебло (аквидук Люмин) сооружен тоннель диаметром 3000 мм толщина обделки из прессованного бетона равнялась 25 см.
5. новоавстрийский метод строительства тоннелей.
На одномерном анализе взаимодействия крепи (обделки) с массивом пород основан широко известный новоавстрийский метод строительства тоннелей (НАТМ–NATM).
Этот метод запатентован в 1958 г. А. Бруннером и теоретически обоснован в работах австрийских ученых: профессора Л. Фон Рабцевича и профессора Л. Мюллера.
С использованием новоавстрийского метода построены сотни километров тоннелей различного назначения, главным образом в Европе и Японии.
Новоавстрийский метод – это общий подход к строительству тоннелей, общая концепция последовательного использования новых и новейших сведений о поведении горных пород при строительстве тоннелей.
Метод акцентирует внимание на законах механики горных пород, на понимании механизма работы обделки тоннеля, что иллюстрируется обычно графиком взаимосвязи пород и крепи (рис. 5.1)
Рис. 5.1. Обобщенная диаграмма взаимодействия массива пород с крепью
1 – кривая разгрузки пород;
2 – зона потери несущей способности пород;
3, 4 – график нагружения временной (анкерно–набрызгбетонной) и постоянной бетонной крепи;
5, 6 – смещение контура сечения выработки и при наличии временной крепи.
При возведении временной крепи (обычно это набрызгбетон с анкерами) в момент начальных смещений U0 c дальнейшим возрастанием смещений возрастает отпор крепи 3, а в точке А пересечения кривых 1 и 3 достигается состояние равновесия. Возведение постоянной обделки (дополнительный слой набрызгбетона и монолитный бетон) идет целиком в запас надежности, при этом коэффициент запаса (безопасности) составляет:
 ,
где Рtв – несущая способность (сопротивление) породно–анкерного слоя и набрызгбетона;
Рв – несущая способность бетонной обделки (крепи).
Кривые 5 и 6 отражают зависимости смещения пород от времени. Кривая 6 характеризует смещение пород при наличии податливой тонкостенной крепи. Основные принципы новоавстрийского метода сводятся к следующему:
А. Использование "самонесущей функции" (несущей способности) массива пород. Это обеспечивается применением податливой временной крепи (анкера и набрызгбетон, а слабых пород – податливая анкерная крепь).
Б. Систематические контрольные измерения напряжений в массиве, нагрузок на крепь и смещений пород. На основании этих измерений принимаются решения от усилении временной крепи (увеличение количества анкеров и толщины набрызгбетонного слоя) и о возведении второго и третьего слоя постоянной обделки.
В. Высокий уровень пониманий метода и сотрудничеств между заказчиком, подрядчиком и проектировщиком в плане выработки и оперативного принятия решений на основании результатов измерений, программа которых входит в состав общих требований к ведению работ и отражена в смете на строительство тоннеля.
Новоавстрийский метод не получил выхода в виде метода расчета крепи.
Новоавстрийский способ проходки при строительстве подземных сооружений большого сечения.
Начиная с 1975 г. Новоавстрийский способ проходки получил широкое распространение во всем мире. Это связано с тем, что в большинстве модификаций новоавстрийского способа поперечное сечение выработки не загромождаются крепью, скорость сооружения туннелей весьма высокая (3–7 м/сут.), а стоимость строительства по сравнению с традиционными способами снижается на 30–40 % (особенно в слабоустойчивых грунтах).
При этом способе проходку ведут сплошным забоем или сечение разбивают на две или более частей, растягивая проходку по длине туннеля. В относительно устойчивых породах работу ведет как и по способу нижнего уступа с параллельной проходкой верхней части сечения (калотты) и уступа (штроссы).
В широких туннелях, проходимых в мягких неустойчивых породах, строительство начинают с боковых штолен, затем разрабатывают калотту, а в последнюю очередь – ядро между боковыми штольнями (рис .1). Породу разрабатывают небольшими заходками буровзрывным способом или комбайнами избирательного действия. Все этапы работ осуществляются одновременно с отставанием по длине. Такой метод позволяет для туннелей площадью 50 м2 и более применять легкое мобильное, относительно дешевое оборудование по сравнению, например со способом проходки туннелей сплошным забоем.
Главное отличие новоавстрийского способа от других – это в максимальной степени использование несущей способности окружающей породы и вовлечение ее в работу в качестве защитной конструкции предохраняющей выработку от обрушения. Порода, закрепленная соответствующим образом крепью из анкеров, набрызгбетона и податливой арочной крепью, превращается в грузонесущую среду, воспринимающую значительную часть нагрузок передается на крепь, материалоемкость которой снижена по сравнению с крепью при других методах проходки.
Новоавстрийский способ допускается существенные перемещения контура выработки, обеспечивая тем самым разгрузку горного массива от напряжений. Постоянная бетонная или ж/б обделка возводится в то момент когда уже в значительной степени исчерпана несущая способность временной крепи, вследствие чего обделка работает на нагрузку существенно меньший величины по сравнению с тем, если бы обделка возродилась до того, как основная разгрузка массива не произошла.
Рис. 1
В настоящее время используются различные методы раскрытия сечения забоя в зависимости от конкретных инженерно–геологических условий по трассе туннеля (рис. 2)
Это методы: сплошного забоя (а);
длинного уступа (б);
короткого уступа (в);
многоступенчатого забоя (г);
миниуступа (д);
уступа с выполнением промежуточного обратного свода (е);
с проходкой боковых штолен (ж).
Рис .2
Способ опертого свода. Впервые этот способ был применен в Бельгии в 1828 г. при постройке судоходного туннеля, поэтому в литературе его называют бельгийским. Суть его заключается в том, что бетонный свод туннеля, возводимый по завершению раскрытия калотты, опирается пятами на боковые породные целики, остаются после разработка средней части основного ядра. Существуют 2 классические схемы способа опертого свода:
– одноштольневая (при установке верхней передовой штольни);
– двухштольневая в обводненных грунтах (при первоначальной проходке нижней штольни, затем верхней штольни и разработки колотты с возведением свода).
Способ опорного ядра. Впервые способ был применен в одном французском туннеле в 1803 г. К настоящему времени он, естественно, значительно усовершенствован и видоизменен. Основу способа составляет: отказ от одновременной разработки больших сечений и разделение сечения на мелкие элементы для уменьшения осадок, немедленное бетонирование вслед за проходкой с временным креплением каждого вскрытого элемента сечения, последовательное возведение обделки стен в направлении снизу вверх, устройство верхнего бетонного свода, опирающегося на возведенные стены, и, наконец дешевая разработка основного элемента сечения – ядра.
Список литературы
1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. –М.: Недра, 1994 г.
2. Горная энциклопедия: Т.3, с. 522, Т.5, с. 442.
3. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепления капитальных и подготовительных горных выработок. –М.: Недра, 1989 г.
4. Моренный Я.И. Туннели с обделкой из монолитно–прессованного бетона. –М: Транспорт. 1985 г.
|
|
